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2023-06-29 第27,640号
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“中国天眼”捕获纳赫兹引力波关键证据
置信度4.6σ，距离“听”到亘古宇宙背景噪音仅一步之遥
■本报记者 许琦敏
作为一种低频引力波，波长可长达几光年的纳赫兹引力波是亘古宇宙中的背景噪音。比起2016年人类最早发现的高频引力波，它们更难被“收听”到，需要基于长达数年的数据采集。
凭借“中国天眼”（FAST）的优异探测性能，由中国科学院国家天文台领衔的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队通过分析“中国天眼”3年5个月的数据，发现了纳赫兹引力波存在的关键证据——具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号，误报率小于50万分之一。相关论文今天在线发表于《天文与天体物理学研究》（RAA），表明我国在该领域的研究与国际同行同步达到领先水平。
随着后续数据时间跨度的拉长，CPTA团队将有望确定纳赫兹引力波的主要物理来源。这意味着，人类离确定发现纳赫兹引力波，可能只有一步之遥。
超大质量黑洞并合“独有预言”终于实现
自2016年引力波发现以来，目前全球范围内的引力波探测有地面引力波、空间引力波、纳赫兹引力波和极低频引力波4个主要频段，它们分别对应不同的物理过程，探测方式也不一样。
在由无数恒星、星系组成的宇宙中，星系并合不时发生。大多数星系都有超大质量黑洞，它们是宇宙中质量最大的天体，其质量是太阳的上亿到千亿倍。天文学家预测，当星系并合时，这些黑洞也会并合，它们相互绕转而产生的引力波主要集中在纳赫兹频段（10的-9次方赫兹）。
“产生纳赫兹引力波，是超大质量黑洞并合的独有预言。然而，预言诞生几十年，至今未有确凿的双超大质量黑洞并合的例子。”北京大学科维理天文与天体物理研究所教授何子山向CPTA团队表示祝贺，“这次，CPTA终于实现了这个期待已久的预言”，在这一物理学与天文学领域的国际激烈竞争中拔得头筹。
在这个领域，北美洲纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）、澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA）早在20年前就开始了观测积累。而印度脉冲星测时阵列（InPTA）、南非脉冲星测时阵列（SAPTA）和CPTA则在近期才加入。
这次，CPTA团队发布的结果置信度为4.6σ（西格玛），距离国际公认的探测标准5σ还略有差距。“目前我们暂时还不能确认纳赫兹引力波的天体源头。” CPTA负责人、中国科学院国家天文台与北京大学天文系双聘研究员李柯伽告诉记者，只要再经过一段时间，进一步拉长观测数据的时间跨度，应该就能确认纳赫兹引力波的天体源头。
后来居上，望远镜优势弥补时间跨度短板
纳赫兹引力波的周期可长达数年，波长可达好几光年，因此观测极具挑战性。目前，利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是探测纳赫兹引力波的唯一手段。
脉冲星是一种人类能探测到的、可靠的“宇宙计时器”，它们快速旋转，以精确的时间间隔发出射电波脉冲。引力波产生的时空涟漪会使时空产生微小的拉伸和收缩，从而使脉冲星信号到达地球的实际时间与预期时间之间出现极小偏差。正是利用这微乎其微的偏差，天文学家得以探知纳赫兹引力波的存在。
“我国早在2016年就开始前瞻性布局这一领域的研究，并联合多家国内科研单位，组建CPTA团队。”中国科学院院士、国家天文台台长常进透露，2019年9月，FAST尚未正式开放运行，CPTA就联合FAST调试工作组开始了试观测。
“FAST能同时检测更多颗脉冲星，灵敏度高、测量精度高。同时，我们自主开发算法，以观测数据精度和数据处理算法的优势，弥补时间跨度上的差距。”李柯伽说，目前我国纳赫兹引力波的探测灵敏度已达到与美国、欧洲、澳大利亚相当的水平。
2020年9月，北美洲纳赫兹引力波天文台利用47颗脉冲星12.5年的观测数据，宣称测量到了纳赫兹引力波，但最终未能证实。此次，CPTA利用FAST对57颗毫秒脉冲星3年5个月的测量数据，探测到了引力波信号的关键证据。
“CPTA的结果与超大质量双黑洞系统的理论预期一致。”中国科学院院士、国际广义相对论和引力学会会士蔡荣根强调，最为重要的是，CPTA团队发现了信号中存在纳赫兹引力波特有的四极矩关联，置信度高达4.6σ。
开启“纳赫兹引力波天文学”只是时间问题
就在CPTA宣布成果的同一天，美、欧-印、澳的脉冲星测时阵列合作组也分别宣布了类似结果。这意味着，人类打开纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口，只是时间问题。未来，这些区域性合作将进一步推进国际脉冲星测时阵列合作。
探测纳赫兹引力波信号对于研究早期宇宙历史、验证大爆炸理论、获得超大质量黑洞碰撞并合信息、研究星系并合，以及进一步研究宇宙各种引力波类型的性质等具有重要意义。
我国科研团队仅用3年多的观测数据追平了国际领先水平，随着FAST观测时间跨度的不断拉长，我国纳赫兹引力波探测的灵敏度还将迅速提升。
常进表示，国家天文台还将积极推进FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，推动我国加快迈入引力波天文学和射电天文学强国。
作为一种低频引力波，波长可长达几光年的纳赫兹引力波是亘古宇宙中的背景噪音。比起2016年人类最早发现的高频引力波，它们更难被“收听”到，需要基于长达数年的数据采集。
凭借“中国天眼”（FAST）的优异探测性能，由中国科学院国家天文台领衔的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队通过分析“中国天眼”3年5个月的数据，发现了纳赫兹引力波存在的关键证据——具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号，误报率小于50万分之一。相关论文今天在线发表于《天文与天体物理学研究》（RAA），表明我国在该领域的研究与国际同行同步达到领先水平。
随着后续数据时间跨度的拉长，CPTA团队将有望确定纳赫兹引力波的主要物理来源。这意味着，人类离确定发现纳赫兹引力波，可能只有一步之遥。
超大质量黑洞并合“独有预言”终于实现
自2016年引力波发现以来，目前全球范围内的引力波探测有地面引力波、空间引力波、纳赫兹引力波和极低频引力波4个主要频段，它们分别对应不同的物理过程，探测方式也不一样。
在由无数恒星、星系组成的宇宙中，星系并合不时发生。大多数星系都有超大质量黑洞，它们是宇宙中质量最大的天体，其质量是太阳的上亿到千亿倍。天文学家预测，当星系并合时，这些黑洞也会并合，它们相互绕转而产生的引力波主要集中在纳赫兹频段（10的-9次方赫兹）。
“产生纳赫兹引力波，是超大质量黑洞并合的独有预言。然而，预言诞生几十年，至今未有确凿的双超大质量黑洞并合的例子。”北京大学科维理天文与天体物理研究所教授何子山向CPTA团队表示祝贺，“这次，CPTA终于实现了这个期待已久的预言”，在这一物理学与天文学领域的国际激烈竞争中拔得头筹。
在这个领域，北美洲纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）、澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA）早在20年前就开始了观测积累。而印度脉冲星测时阵列（InPTA）、南非脉冲星测时阵列（SAPTA）和CPTA则在近期才加入。
这次，CPTA团队发布的结果置信度为4.6σ（西格玛），距离国际公认的探测标准5σ还略有差距。“目前我们暂时还不能确认纳赫兹引力波的天体源头。” CPTA负责人、中国科学院国家天文台与北京大学天文系双聘研究员李柯伽告诉记者，只要再经过一段时间，进一步拉长观测数据的时间跨度，应该就能确认纳赫兹引力波的天体源头。
后来居上，望远镜优势弥补时间跨度短板
纳赫兹引力波的周期可长达数年，波长可达好几光年，因此观测极具挑战性。目前，利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是探测纳赫兹引力波的唯一手段。
脉冲星是一种人类能探测到的、可靠的“宇宙计时器”，它们快速旋转，以精确的时间间隔发出射电波脉冲。引力波产生的时空涟漪会使时空产生微小的拉伸和收缩，从而使脉冲星信号到达地球的实际时间与预期时间之间出现极小偏差。正是利用这微乎其微的偏差，天文学家得以探知纳赫兹引力波的存在。
“我国早在2016年就开始前瞻性布局这一领域的研究，并联合多家国内科研单位，组建CPTA团队。”中国科学院院士、国家天文台台长常进透露，2019年9月，FAST尚未正式开放运行，CPTA就联合FAST调试工作组开始了试观测。
“FAST能同时检测更多颗脉冲星，灵敏度高、测量精度高。同时，我们自主开发算法，以观测数据精度和数据处理算法的优势，弥补时间跨度上的差距。”李柯伽说，目前我国纳赫兹引力波的探测灵敏度已达到与美国、欧洲、澳大利亚相当的水平。
2020年9月，北美洲纳赫兹引力波天文台利用47颗脉冲星12.5年的观测数据，宣称测量到了纳赫兹引力波，但最终未能证实。此次，CPTA利用FAST对57颗毫秒脉冲星3年5个月的测量数据，探测到了引力波信号的关键证据。
“CPTA的结果与超大质量双黑洞系统的理论预期一致。”中国科学院院士、国际广义相对论和引力学会会士蔡荣根强调，最为重要的是，CPTA团队发现了信号中存在纳赫兹引力波特有的四极矩关联，置信度高达4.6σ。
开启“纳赫兹引力波天文学”只是时间问题
就在CPTA宣布成果的同一天，美、欧-印、澳的脉冲星测时阵列合作组也分别宣布了类似结果。这意味着，人类打开纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口，只是时间问题。未来，这些区域性合作将进一步推进国际脉冲星测时阵列合作。
探测纳赫兹引力波信号对于研究早期宇宙历史、验证大爆炸理论、获得超大质量黑洞碰撞并合信息、研究星系并合，以及进一步研究宇宙各种引力波类型的性质等具有重要意义。
我国科研团队仅用3年多的观测数据追平了国际领先水平，随着FAST观测时间跨度的不断拉长，我国纳赫兹引力波探测的灵敏度还将迅速提升。
常进表示，国家天文台还将积极推进FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，推动我国加快迈入引力波天文学和射电天文学强国。